Caracterização e comportamento geomecânico de rejeitos de
mineração
Helena Paula Nierwinski
CARACTERIZAÇÃO E COMPORTAMENTO
GEOMECÂNICO DE REJEITOS DE MINERAÇÃO
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte
dos requisitos para obtenção do título de doutor em Engenharia.
Nierwinski, Helena Paula
Caracterização e Comportamento Geomecânico de Rejeitos de Mineração / Helena Paula Nierwinski. --2019.
230 f.
Orientador: Fernando Schnaid.
Tese (Doutorado) -- Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Escola de Engenharia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Porto Alegre, BR-RS, 2019.
1. Rejeitos de Mineração. 2. Caracterização de solos. 3. Fluxo por liquefação. 4. Ensaios de laboratório. 5. Ensaios de Campo. I. Schnaid, Fernando, orient. II. Título.
CARACTERIZAÇÃO E COMPORTAMENTO
GEOMECÂNICO DE REJEITOS DE MINERAÇÃO
Esta tese de doutorado foi julgada adequada para a obtenção do título de DOUTOR EM ENGENHARIA, Geotecnia, e aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do
Sul.
Porto Alegre, Março de 2019
Prof. Fernando Schnaid Ph. D. pela Oxford University, Reino Unido Orientador
Prof. Nilo Cesar Consoli Coordenador do PPGEC/UFRGS
BANCA EXAMINADORA
Prof. Lucas Festugato/UFRGS Dr. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil
Prof. António Joaquim Pereira Viana da Fonseca Dr. pela Universidade do Porto - Portugal.
Prof. Leandro de Moura Costa Filho Ph. D. pela Imperial College, Londres.
Prof. Edgar Odebrecht/Geoforma Engenharia Ltda Dr. pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil
estudo. A construção do trabalho é realizada em etapas, sempre contando com o apoio de pessoas e/ou instituições, cuja participação torna-se fundamental para a construção sólida do conhecimento e obtenção dos objetivos almejados.
Agradeço inicialmente ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFRGS (PPGEC) pela oportunidade de participar de um programa de qualidade reconhecida e, com um seleto corpo docente, através do qual obtive ensinamentos que muito contribuíram para o meu desenvolvimento pessoal, acadêmico e profissional.
Meu agradecimento especial ao meu orientador, Prof. Fernando Schnaid, pela orientação recebida, incentivo, dedicação, disponibilidade, amizade e compreensão nas mais árduas etapas da pesquisa. Tenho imensa admiração pelo profissional que és e sempre serás inspiração para minha vida profissional e acadêmica.
Ao professor Edgar Odebrecht, meus mais sinceros agradecimentos, por todo o incentivo e apoio recebido durante toda minha caminhada dentro da área de Geotecnia. Sou imensamente grata por despertar em mim o interesse por esta área da Engenharia e sempre estar disposto e disponível em ajudar em todas as etapas da pesquisa.
À empresa Geoforma Engenharia e a todos seus colaboradores pela disponibilidade em realizar muitas das campanhas de ensaios de campo analisadas nesta pesquisa. Agradeço também à amizade de todos os colaboradores da empresa, apoio e incentivo recebido durante o desenvolvimento do trabalho.
Ao Laboratório de Engenharia Geotécnica e Geotecnologia Ambiental (LEGG) da UFRGS pela disponibilidade para realização dos ensaios de laboratório. Agradeço também, a todos os membros frequentadores do LEGG, pela receptividade, acolhimento, amizade, incentivo e auxílio durante a realização dos ensaios.
À equipe administrativa do PPGEC, em especial à Ana Luiza, pela gentileza nos serviços prestados, atenção e amizade.
À toda minha família por aceitar viver este desafio juntamente comigo e compreender a minha ausência em vários feriados, férias e finais de semana. Agradeço o incentivo e apoio de todos.
Aos meus pais, meu muito obrigado por tudo! Agradeço primeiramente por acreditarem que tudo isso seria possível. Agradeço pela confiança depositada em mim desde o início de minha carreira acadêmica, permitindo que eu fosse morar a 600 km de distância de casa, aos 17 anos de idade. Tenho certeza que sem esta importante decisão de vocês naquele momento, todo o apoio e incentivo recebidos durante todas as dificuldades, eu não teria chego até aqui. Esta conquista, sem dúvida, é também de vocês.
Um agradecimento especial ao meu marido Ricardo, por percorrer todo este caminho ao meu lado e aceitar o desafio do doutorado juntamente comigo. Agradeço de coração por todo o apoio recebido nesta jornada. Foram muitos quilômetros rodados nestes últimos quatro anos, muitas dificuldades superadas e muita compreensão de tua parte. Você enfrentou comigo todos os contratempos dos bastidores de um doutorado e sempre soube me incentivar, acalmar e confortar de forma exemplar. Meu muito obrigado!
Por fim, deixo aqui minha imensa gratidão por ter chego até aqui. Agradeço a todos aqueles que estiveram presentes direta ou indiretamente durante o desenvolvimento do meu doutorado. O apoio de todos foi fundamental para a conclusão desta importante etapa de minha vida.
Mineração. 2019. Tese de Doutorado (Doutorado em Engenharia Civil) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre.
A atividade mineradora tem grande importância no cenário mundial e nacional, contribuindo amplamente para o desenvolvimento econômico dos países, entretanto, ao mesmo tempo em que a atividade cresce, aumenta a produção de rejeitos. A forma como os rejeitos de mineração são dispostos, suas características e os casos recentes de rupturas em reservatórios deste material, tem alertado para a necessidade de estudo e compreensão do seu comportamento, com vistas à avaliação da possibilidade de ocorrência de rupturas desencadeadas por liquefação. O fenômeno de liquefação ocorre quando um aumento repentino de poropressões é capaz de anular as tensões efetivas do material, fazendo-o perder totalmente a sua estrutura. Quando uma instabilidade local se estende por extensas áreas, tem-se o fenômeno denominado de fluxo por liquefação, o qual tem alto potencial destrutivo. O fluxo por liquefação pode ser desencadeado tanto por gatilhos estáticos quanto dinâmicos e a suscetibilidade de um material granular à ocorrência do mesmo pode ser avaliada por meio de propriedades de estado, definidas através de ensaios triaxiais. Entretanto, nem sempre é possível realizar a coleta de amostras indeformadas em rejeitos de mineração e esta avaliação precisa ser realizada em amostras reconstituídas, que podem não traduzir as reais condições de campo. Neste contexto, este trabalho objetiva caracterizar e avaliar o comportamento geomecânico de rejeitos de mineração, tanto por meio de resultados de ensaios de campo, quanto de laboratório. Inicialmente, ensaios triaxiais foram realizados com o intuito de avaliar os efeitos do estado inicial e reconstituição de amostras no comportamento dos rejeitos de mineração. Na sequência, a combinação de medidas independentes de resistência e rigidez, obtidas através de ensaios de laboratório, foi estudada para dar suporte ao desenvolvimento de uma metodologia de avaliação de comportamento através de ensaios de campo, mais precisamente o ensaio de cone sísmico (SCPTu). A metodologia proposta caracteriza-se por um sistema de classificação de solos dividido em dois estágios. A primeira etapa consiste na utilização da relação entre rigidez e resistência (G0/qt), obtidas em campo, para categorizar diferentes grupos de solos e identificar
condições de drenagem. No estágio subsequente, a relação G0/qt é combinada à valores de
parâmetro de estado ( ) para avaliação da suscetibilidade ao fluxo por liquefação, em materiais classificados como de baixa plasticidade no estágio anterior do sistema. Uma proposta de correção de valores de qt, lidos em condições de drenagem parcial, permitiu também a análise
de suscetibilidade ao fluxo por liquefação em materiais siltosos não-plásticos, como os rejeitos de mineração. Resultados de ensaios de campo e laboratório foram confrontados para validação das metodologias propostas, demonstrando uma boa resposta aos materiais avaliados.
Palavras-chave: Rejeitos de mineração, caracterização, liquefação, ensaios de campo e laboratório.
2019. D. Sc. Thesis Department of Civil Engineering, UFRGS, Porto Alegre.
The mining activity has a great importance in world-range and national-range scenarios, and have been contributing to the economic development of several countries. However, at the same time that this kind of activity grows, it increases the production of tailings. The way these tailings are arranged, their characteristics, and the recent reservoirs ruptures, highlighted the necessity of studying and understanding the behavior of mining tailings, with focus on the evaluation of the possibility of ruptures caused by liquefaction. The phenomenon of liquefaction occurs when a sudden increase of poropressure is able to cancel the effective stresses of the material, causing the completely loss of structure. When a local instability extends over large areas, there is the phenomenon called flow liquefaction, which has a high destructive potential. The flow liquefaction can be triggered by both static and dynamic loadings and, the susceptibility to flow liquefaction in granular materials can be evaluated by state properties, easily defined by triaxial tests. However, it may not be possible to collect undisturbed samples in mining tailings, and this evaluation must be performed on reconstituted samples, which may not translate the actual field conditions. In this context, this work aims to characterize and evaluate the geomechanical behavior of mining tailings, both through field and laboratory tests results. Initially, triaxial tests were performed with the purpose of evaluating the effects of the initial state and reconstitution of samples on the behavior of the mining tailings. In the sequence, the combination of independent measures of strength and stiffness, obtained through laboratory tests, was studied to support the development of a behavior assessment methodology through field tests, more precisely the seismic cone test (SCPTu). The proposed methodology is characterized by a soil classification system divided in two stages. The first one consists in using the relationship between stiffness and strength (G0/qt), obtained
in the field, to categorize different soil groups and to identify drainage conditions. In the subsequent stage, the G0/qtratio is combined with state parameter values ( ) for evaluation of
the susceptibility to the flow liquefaction, in materials classified as low plasticity in the previous stage of the classification system. A proposal correction for qt values, obtained in partial
drainage conditions, also allowed the analysis of susceptibility to flow liquefaction in non-plastic silt materials, such as mining tailings. Results of field and laboratory tests were confronted for validation of the proposed methodologies, demonstrating a good response to the evaluated materials.
1 INTRODUÇÃO ...17
1.1 RELEVÂNCIA E JUSTIFICATIVA DA PESQUISA ...17
1.2 OBJETIVOS...20 1.2.1 Objetivo Geral ...20 1.2.2 Objetivos específicos...20 1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ...21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...22 2.1 REJEITOS DE MINERAÇÃO...22 2.1.1 Definições...22 2.1.2 Métodos de disposição ...23
2.1.2.1 Método de alteamento à montante...25
2.1.2.2 Método de alteamento à jusante ...27
2.1.2.3 Método de alteamento pela linha de centro ...28
2.1.3 Caracterização geotécnica ...30
2.1.3.1 Caracterização básica de laboratório ...30
2.1.3.2 Permeabilidade ...33 2.1.3.3 Compressibilidade e adensamento...37 2.1.3.4 Resistência ao cisalhamento ...38 2.1.3.5 Ensaios de campo ...40 2.2 FENÔMENO DE LIQUEFAÇÃO ...41 2.2.1 Definições...42
2.2.1.1 Fluxo por liquefação...43
2.2.1.2 Amolecimento cíclico (cyclic softening) ...44
2.2.2 Suscetibilidade à liquefação ...48
2.2.2.1 Critério histórico...49
2.2.2.2 Critério geológico ...49
2.2.3.2 Medidas mitigadoras ...55
2.3 ASPECTOS RELACIONADOS À INTERPRETAÇÃO DE ENSAIOS ...57
2.3.1 Influência do teor de finos ...58
2.3.1.1 Microestrutura ...58
2.3.1.2 Ângulo de atrito e compressibilidade ...60
2.3.1.3 Módulo de cisalhamento máximo ...61
2.3.2 Utilização de resultados de ensaios de campo...65
2.3.2.1 Caracterização e comportamento de solos...66
2.3.2.2 Avaliação de propriedades de estado e suscetibilidade a liquefação...70
2.3.2.3 Condições de drenagem...75
2.4 COMENTÁRIOS FINAIS ...79
3 METODOLOGIA DE PESQUISA ...80
3.1 REJEITOS DE MINERAÇÃO AVALIADOS ...80
3.1.1 Rejeito de mineração de ouro ...80
3.1.2 Rejeito de mineração de bauxita...82
3.1.2.1 Consórcio ALUMAR ...82
3.1.2.2 Fábrica da ALCOA...84
3.1.3 Rejeito de mineração de zinco...85
3.1.4 Rejeito de mineração de ferro...87
3.1.5 Rejeito de mineração de cobre...88
3.2 ENSAIOS DE LABORATÓRIO ...88
3.2.1 Ensaios de caracterização básica ...89
3.2.2 Ensaios triaxiais...90
3.2.2.1 Análise de variação do índice de vazios inicial...92
3.2.2.2 Análise de efeitos da reconstituição de amostras ...94
3.2.3 Determinação da velocidade da onda cisalhante ...96
3.2.4 Ensaios oedométricos ...101
3.3 ENSAIOS DE CAMPO...102
3.3.2.3 Rejeito de mineração de zinco...110
3.3.2.4 Rejeito de mineração de ferro...111
3.3.2.5 Rejeito de mineração de cobre...112
4 ANÁLISE DE RESULTADOS DE ENSAIOS DE LABORATÓRIO...114
4.1 CARACTERIZAÇÃO BÁSICA DE REJEITOS DE MINERAÇÃO ...114
4.2 EFEITOS DE ESTADO NA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO ...118
4.3 INFLUÊNCIA DA RECONSTITUIÇÃO DE AMOSTRAS...130
4.3.1 Ensaios triaxiais...130
4.3.2 Ensaios oedométricos ...135
4.3.3 Módulo Cisalhante...139
4.4 RELAÇÃO ENTRE RIGIDEZ E RESISTÊNCIA ...141
4.4.1 Cimentação artificial...143
4.4.2 Densidade Relativa ...145
4.4.3 Teor de finos...146
4.4.4 Efeitos de drenagem ...147
4.4.5 Efeitos da reconstituição de amostra ...149
4.5 COMENTÁRIOS FINAIS ...150
5 ANÁLISE DE RESULTADOS DE ENSAIOS DE CAMPO...152
5.1 PROPOSTA DE CLASSIFICAÇÃO DE SOLOS A PARTIR DE RESULTADOS DE ENSAIOS SCPTU...153
5.1.1 Justificativa...153
5.1.2 Determinação e apresentação da metodologia...155
5.1.3 Validação...165
5.1.3.1 Areias e areias com finos...166
5.1.3.2 Argilas e misturas de argila ...169
5.1.3.3 Siltes e misturas de siltes ...172
5.1.3.4 Rejeitos de mineração...174
5.2.3 Validação e calibração...192
5.2.3.1 Areias...192
5.2.3.2 Siltes e rejeitos de mineração ...194
5.3 COMENTÁRIOS FINAIS ...201
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS...203
6.1 CONCLUSÕES ...203
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...208
Figura 2.2 - Método de alteamento à jusante (adaptado de Vick, 1983)...28 Figura 2.3 - Método de alteamento pela linha de centro (adaptado de Vick, 1983)...29 Figura 2.4 - Curvas granulométricas características de rejeitos de mineração de ouro (adaptado de Vick, 1983) ...31 Figura 2.5 - Curvas granulométricas características de rejeitos de mineração de bauxita (Vick, 1983)...32 Figura 2.6 - Curvas granulométricas características do rejeito de mineração de zinco (adaptado de Vick, 1983) ...32 Figura 2.7 - Modelo conceitual de variação de permeabilidade dentro de depósitos de rejeitos (adaptado de Vick, 1983)...36 Figura 2.8 - Valores de permeabilidade de rejeitos de mineração (Bedin, 2010) ...36 Figura 2.9 - Perfil de sondagem CPTu realizado em depósito de rejeito de ouro (Schnaid et al, 2004)...41 Figura 2.10 - Comportamento de solos soltos durante cisalhamento não drenado (strain softening) (adaptado de Robertson e Fear, 1995)...44 Figura 2.11 - Comportamento de solos soltos em relação à linha do estado crítico (adaptado de Robertson e Fear, 1995) ...44 Figura 2.12 - Comportamento sob carregamento cíclico não drenado em areias densas (adaptado de Robertson e Fear, 1995)...46 Figura 2.13 - Fluxograma para avaliação de liquefação em solos (adaptado de Robertson e Fear, 1995)...47 Figura 2.14 - Faixa Granulométrica de rejeitos de mineração em relação aos limites de solos que sofreram liquefação (Ishihara et al, 1980) ...50 Figura 2.15 - Influência da quantidade e plasticidade de finos no potencial de liquefação de solos (Perlea, 2000) ...51 Figura 2.16 - Comportamento de materiais no estado fofo e denso sob carregamentos drenados e não drenados em escala aritmética (a) e escala logarítmica (b) (adaptado de Kramer, 1996)
...52 Figura 2.17 - Representação física do parâmetro de estado (adaptado de Kramer, 1996) ...53 Figura 2.18 - Destruição do distrito de Bento Rodrigues causado pela ruptura da Barragem de
sendo os finos representados em cor cinza (Goudarzy et al, 2016) ...59
Figura 2.21 - Variação nas linhas do estado crítico para a areia de Kogyuk com adição de finos (adaptado de Been e Jefferies, 1985)...60
Figura 2.22 - Representação gráfica da tensão e deformação de cisalhamento no solo (adaptado de Lambe e Whitman, 1969) ...61
Figura 2.23 - Efeito de finos sobre valores de G0em ensaios realizados sob o mesmo estado de tensões (Goudarzy et al, 2016)...65
Figura 2.24 - Avaliação do comportamento do solo baseada em dados normalizados do ensaio CPT/CPTu (adaptado de Robertson, 1990) ...67
Figura 2.25 - Avaliação do comportamento do solo realizada com base na resistência do cone e no módulo de cisalhamento máximo (adaptado de Robertson et al, 1995)...68
Figura 2.26 - Avaliação do comportamento de solos com base na resistência do cone e módulo de cisalhamento máximo (adaptado de Eslaamizaad e Robertson, 1997)...69
Figura 2.27 - Limites de cimentação de solos arenosos baseados na resistência de ponta do cone e módulo de cisalhamento máximo do solo (Schnaid et al, 2004)...70
Figura 2.28 - Correlação teórica entre G0/qce o parâmetro de estado ( ) (Schnaid e Yu, 2007) ...71
Figura 2.29 - Proposta de avaliação do potencial de liquefação estática baseada na resistência do cone normalizada (adaptada de Olson, 2001)...72
Figura 2.30 - Avaliação de comportamento contrativo e dilatante do solo, proposta por Robertson (2010) ...74
Figura 2.31 - Previsão do potencial de liquefação estática proposta por Robertson, 2010 ...75
Figura 2.32 Curvas características ajustadas com base em dados numéricos e experimental demonstrando os efeitos de V em valores normalizados (a) u2 e (b) Q (adaptado de Djong e Randolph, 2012) ...77
Figura 2.33 Efeitos da variação de velocidade de cravação em diferentes geomateriais (adaptado de Dienstmann et al, 2018)...78
Figura 3.1 - Planta esquemática do atual sistema de disposição de rejeitos da MFB ...81
Figura 3.2 - Depósito de rejeitos de mineração de ouro da MFB...82
Figura 3.3 - Áreas de disposição de rejeitos de bauxita (ARB`s) da fábrica da ALUMAR...83
Figura 3.8 - Vista da barragem de rejeitos de mineração de zinco...87 Figura 3.9 - Barragem de rejeitos de ferro de Fundão (a) antes da ruptura e (b) após a ruptura (Morgenstern et al, 2016) ...88 Figura 3.10 - Equipamento triaxial Geonor (LEGG) ...91 Figura 3.11 - Procedimentos de moldagem do corpo de prova para os ensaios triaxiais...93 Figura 3.12: Processo de preparação do corpo de prova indeformado para ensaios triaxiais ..94 Figura 3.13 - Tubo de PVC auxiliar para preparação do corpo de prova indeformado para ensaios triaxiais ...95 Figura 3.14 - Bender Elements no triaxial Bishop-Wesley do LEGG/ UFRGS (Bortolotto, 2017) ...96 Figura 3.15 - Sistema de bender elements acoplado à câmara triaxial Bishop-Wesley da UFRGS (adaptado de Bortolotto, 2017)...97 Figura 3.16: Exemplo de intepretação de resultados de bender elements em corpo de prova reconstituído e submetido à tensão confinante de 100 kPa ...99 Figura 3.17 Bender elements acoplados em pedestais de nylon para ensaios de bancada ....99 Figura 3.18 - Ensaios de bender elements de bancada ...100 Figura 3.19 - Corpo de prova utilizado para o ensaio oedométrico (a) e ensaio e andamento (b) ...101 Figura 3.20 - Sistema de cravação utilizado nos ensaios CPTu nos rejeitos de mineração de ouro (a) e detalhe das hélices de ancoragem (b) ...103 Figura 3.21 - Posição u2do elemento poroso no piezocone (Schnaid e Odebrecht, 2012)....104
Figura 3.22 - Esquema básico de um ensaios sísmico com dois geofones (www.marchetti-dmt.it) (a) e fonte geradora de ondas cisalhantes utilizada nos ensaios SCPTu realizados no rejeito de mineração de ouro (b)...105 Figura 3.23 - Localização dos pontos de sondagem na barragem de rejeitos de mineração de ouro, campanha de 2012...106 Figura 3.24 - Localização do ponto de sondagem na barragem de rejeitos de mineração de ouro, campanha de 2015 ...106 Figura 3.25 - Localização e profundidade dos ensaios SCPTu realizados nos depósitos de rejeito de bauxita da ALUMAR ...108 Figura 3.26 - Ensaios SCPTu realizados na ARB#7 do sistema de disposição de rejeitos de
Figura 3.28 - Ensaios SCPTu realizados no depósito de rejeitos de ferro de Fundão (adaptado
de Morgenstern et al, 2016)...112
Figura 4.1 - Curvas granulométricas do rejeito de mineração de ouro...115
Figura 4.2 - Curvas granulométricas do rejeito de mineração de bauxita ...117
Figura 4.3 - Curvas granulométricas do rejeito de mineração de zinco ...117
Figura 4.4 - Comportamento tensão e poropressões versus deformação para diferentes índices de vazios e tensão confinante de 25 kPa...120
Figura 4.5 - Comportamento tensão e poropressões versus deformação para diferentes índices de vazios e tensão confinante de 50 kPa...121
Figura 4.6 - Comportamento tensão e poropressões versus deformação para diferentes índices de vazios e tensão confinante de 100 kPa...122
Figura 4.7 - Comportamento tensão e poropressões versus deformação para diferentes índices de vazios e tensão confinante de 200 kPa...123
Figura 4.8 Trajetórias q versus para tensões confinantes de 25 e 50 kPa ...124
Figura 4.9 - Trajetórias q versus p' para tensões confinantes de 100 e 200 kPa ...125
Figura 4.10 Trajetórias para diferentes índices de vazios iniciais e diferentes tensões confinantes ...126
Figura 4.11 - Aumento da resistência à liquefação com redução do índice de vazios do rejeito de mineração de ouro...127
Figura 4.12 - Estado inicial (pós-consolidação) e final para e=1.1 ...128
Figura 4.13 - Estado inicial (pós-consolidação) e final para e=1.0 ...128
Figura 4.14 - Estado inicial (pós-consolidação) e final para e=0.9 ...129
Figura 4.15 - Variação dos valores de com a redução do índice de vazios inicial ...130
Figura 4.16 - Variação de resistência entre amostras indeformada e reconstituída de rejeitos de mineração de bauxita...131
Figura 4.17 - Variação de poropressões entre amostras indeformada e reconstituída de rejeitos de mineração de bauxita ...132
Figura 4.18 - Comparativo entre envoltórias de resistência de amostras indeformada e reconstituída de rejeitos de mineração de bauxita ...132
Figura 4.19 - Comportamento do material indeformado e reconstituído no espaço e versus log ...133
Figura 4.21 - Comparativo entre curvas oedométricas de corpos de prova indeformado e reconstituído de rejeitos de mineração de bauxita...135 Figura 4.22 - Comparativo entre valores de cvde corpos de prova indeformado e reconstituído
de rejeitos de mineração de bauxita...137 Figura 4.23 - Variação da altura do corpo de prova pelo tempo para corpos de prova indeformado e reconstituído ...138 Figura 4.24 - Variação de G0 com o nível de tensões para corpos de prova indeformado e
reconstituído ...140 Figura 4.25 - Velocidade da onda cisalhante normalizada pelo nível de tensões (Vs1) versus o
índice de vazios do material ...141 Figura 4.26 - Efeito da cimentação em parâmetros de rigidez e resistência obtidos em ensaios de laboratório...145 Figura 4.27 - Efeito do aumento da densidade em parâmetros de rigidez e resistência obtidos em ensaios de laboratório ...146 Figura 4.28 - Efeito do teor de finos em parâmetros de rigidez e resistência obtidos em ensaios de laboratório...147 Figura 4.29 - Efeitos de drenagem em parâmetros de rigidez e resistência obtidos em ensaios de laboratório...148 Figura 4.30 - Efeitos da reconstituição de amostras em parâmetros de rigidez e resistência obtidos em ensaios de laboratório ...149 Figura 5.1 - Dispersão de resultados de ensaios em rejeito de mineração de ouro em sistemas de classificação padrão: (a) e (b) Robertson (1990) e (c) Robertson et al (1995)...154 Figura 5.2 - Resultados teóricos para areias e argilas no espaço G0/qtversus Qtn...162
Figura 5.3 - Sistema proposto para classificação de solos com base em resultados de ensaios SCPTu...165 Figura 5.4 Perfil de ensaio SCPTu realizado no Campo Experimental de Araquari...168 Figura 5.5 - Aplicação do sistema de classificação a resultados de ensaios SCPTu em areias e areias com finos ...169 Figura 5.6 - Perfil de ensaio SCPTu realizado no Campo Experimental de Tubarão-SC...170 Figura 5.7 - Perfil de ensaio SCPTu realizado em depósito argiloso/ siltoso de Joinville-SC ...171
Figura 5.9 - Perfil típico de ensaios SCPTu em depósito siltoso de Itajaí-SC ...172 Figura 5.10 - Perfil típico de ensaios SCPTu em depósito siltoso de Maringá-PR...173 Figura 5.11 - Aplicação do sistema de classificação a resultados de ensaios SCPTu em siltes e misturas de siltes...174 Figura 5.12 - Curvas granulométricas dos rejeitos de mineração avaliados ...175 Figura 5.13 - Resultados de ensaios SCPTu no rejeito de mineração de ouro ...176 Figura 5.14 - Resultados dos ensaios SCPTu realizados no rejeito de mineração de bauxita da ALUMAR...177 Figura 5.15 - Resultados dos ensaios SCPTu realizados no rejeito de mineração de bauxita da ALCOA ...177 Figura 5.16
-...178 Figura 5.17 - Resultados de ensaios SCPTu realizados no rejeito de mineração de zinco ....179 Figura 5.18 - Perfil típico do ensaio SCPTu realizado no rejeito de mineração de ferro de Fundão (adaptado de Morgenstern et al, 2016)...179 Figura 5.19 - Perfis de sondagem SCPTu no rejeito de mineração de cobre ...180 Figura 5.20 - Aplicação do sistema de classificação a resultados de ensaios SCPTu em rejeitos de mineração...181 Figura 5.21 - Metodologia conjunta proposta para avaliação de suscetibilidade ao fluxo por liquefação a partir de resultados de ensaios SCPTu (a) avaliação de ; (b) sistema de classificação de solos...185 Figura 5.22 - Linhas de variação de G0para =0 sobre o sistema de classificação de solos 186
Figura 5.23 - Solução teórica para Q e Bq para o caso simplificado de c`=0 e =0 (adaptado de Senneset et al, 1989)...189 Figura 5.24 - Variação de qtD/qtND em relação a solução de Senneset et al (1989) e resultados de ensaios em diferentes materiais ...189 Figura 5.25 - Correlação proposta para correção da resistência de ponta do cone em ensaios padrão realizados em materiais de drenagem intermediária (para =0.5) ...191 Figura 5.26 Comparativo entre estimados a partir do perfil SCPTu e obtidos em laboratório para a areia de Araquari...193 Figura 5.27 - Parâmetro de estado estimado para solos arenosos ...194
Figura 5.29 - Resultados de ensaios CPTu com velocidades de cravação variáveis e correção empírica proposta para qt no rejeito de mineração...197 Figura 5.30 - Comparativo entre valores de estimados a partir do SCPTu e resultados de ensaios de laboratório para o rejeito de mineração de ouro ...198 Figura 5.31 Estimativa de para diferentes rejeitos de mineração ...200 Figura 5.32 - Comparativo entre valores de obtidos através de ensaios SCPTu e laboratório ...201
Tabela 2.1 - Valores típicos de coeficiente de permeabilidade para solos sedimentares usuais (Fernandes, 2016) ...34 Tabela 2.2 - Coeficiente de permeabilidade dos rejeitos de mineração (adaptado de Vick, 1983) ...35 Tabela 2.3 - Valores de cce cvpara rejeitos de mineração...38
Tabela 2.4 - Resumo de características dos fenômenos de liquefação...48 Tabela 2.5 - Casos históricos de rupturas por fluxo por liquefação em barragens de rejeito...55 Tabela 2.6 - Resumo de lições aprendidas com casos de rupturas por liquefação ...56 Tabela 2.7 Classificação de solos em função de Ic(adaptado de Schnaid e Odebrecht, 2012)
...73 Tabela 3.1 - Programa experimental de laboratório ...89 Tabela 3.2: Propriedades dos corpos de prova em ensaios de variação de densidade no rejeito de ouro ...93 Tabela 3.3: Propriedades dos corpos de prova indeformados e reconstituídos do rejeito de mineração de bauxita para ensaios triaxiais ...95 Tabela 3.4- Propriedades dos corpos de prova indeformados e reconstituídos do rejeito de mineração de bauxita para de bender elements ...100 Tabela 3.5 Número de registros sísmicos realizados no depósito de rejeito de mineração de ouro...107 Tabela 3.6 Número de registros sísmicos realizados nos depósitos de rejeito de mineração de bauxita ...109 Tabela 3.7 - Número de registros sísmicos e profundidade dos ensaios SCPTu no depósito de
...110 Tabela 3.8 - Resumo de ensaios sísmicos realizados nos depósitos de rejeito de mineração de zinco ...110 Tabela 3.9 - Número de registros sísmicos e profundidade dos ensaios SCPTu no depósito de rejeitos de ferro de Fundão ...112 Tabela 3.10 - Número de registros sísmicos e profundidade dos ensaios SCPTu no depósito de rejeitos de cobre...113 Tabela 4.1 - Índices físicos dos rejeitos de mineração de ouro, bauxita e zinco...118
Tabela 4.3 - Resumo dos resultados de laboratório analisados ...143 Tabela 5.1 - Resumo das formulações adotadas para definição de resultados teóricos de ensaios em areias e argilas...160 Tabela 5.2 - Resumo de propriedades de areias utilizadas para validação do sistema de classificação...167 Tabela 5.3 Resumo de características geotécnicas dos rejeitos de mineração avaliados ....175
ARB Área de rejeito de bauxita
ASTM American Society for Testing and Materials
B Parâmetro de poropressão de Skempton
CD Ensaio triaxial consolidado isotropicamente, drenado
CIU Ensaio triaxial consolidado isotropicamente, não-drenado
c Coesão real cc Coeficiente de compressibilidade cu Coeficiente de uniformidade cv Coeficiente de adensamento D50 Diâmetro médio DR, Dr Densidade relativa
Deformação no plano de cisalhamento
EPA Environmental Protection Agency
E Módulo de Elasticidade
e Índice de vazios
e0 Índice de vazios inicial
ec Índice de vazios crítico
esk Índice de vazios intergranular
Ângulo de atrito interno
cs Ângulo de atrito no estado crítico
G0 Módulo de cisalhamento inicial/ máximo
s Peso específico dos grãos
Peso específico natural
d Peso específico seco
IBRAM Instituto Brasileiro de Mineração
IPEA Instituto de Pesquisa Aplicada
Ic Índice de comportamento do material (cone)
IP Índice de plasticidade
LCI Linha de consolidação isotrópica
LEC Linha do estado crítico
LEGG Laboratório de Engenharia Geotécnica e Geoambiental
LL Limite de liquidez
LP Limite de plasticidade
k Coeficiente de permeabilidade
MFB Mineração Fazendo Brasileiro
NBR Norma Brasileira
qc Resistência de ponta do cone
qt Resistência de ponta do cone corrigida
Massa específica
SCPTu Ensaio de cone sísmico com leituras de poropressões
v Tensão vertical total
v Tensão vertical efetiva
1, 3 Tensões principais maior e menor
Tensão cisalhante
u Poropressão
u0 Poropressão hidrostática
UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Vs, vs Velocidade da onda de cisalhamento
Parâmetro de estado
1 INTRODUÇÃO
1.1 RELEVÂNCIA E JUSTIFICATIVA DA PESQUISA
A atividade mineradora tem grande importância no cenário mundial e nacional, contribuindo amplamente para o desenvolvimento econômico dos países. Com o decorrer dos anos este ramo tem buscado novas tecnologias, possibilitando a implantação de maiores plantas de exploração e, por conseguinte, o aumento na produção de minérios. De acordo com o Instituto Brasileiro de Mineração - IBRAM (2018), somente no Brasil, a produção mineral atingiu um valor de US$ 32 bilhões no ano de 2017, representando quase 16.8 % do PIB industrial do país.
Todavia, ao mesmo tempo em que a progressão tecnológica possibilita um acréscimo de produção e maiores avanços em menores períodos de tempo, ela também desencadeia um incremento na geração de rejeitos. De acordo com um estudo realizado pelo Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada IPEA (2012), a produção anual de rejeitos de mineração, no Brasil, aumentou de 202 milhões de toneladas no ano de 1996, para 290 toneladas em 2005. Este mesmo estudo aponta para uma perspectiva de geração de rejeitos de mineração de 348 milhões de toneladas em 2010, chegando a 684 milhões de toneladas em 2030.
Uma das grandes preocupações frente a este cenário vincula-se ao método de disposição dos rejeitos de mineração. No Brasil, a metodologia rotineiramente adotada durante o desenvolvimento da atividade mineral, constitui-se no armazenamento através de reservatórios contidos por diques ou barragens, em muitos casos alteados à montante. Após o processo de beneficiamento, os rejeitos gerados são transportados hidraulicamente até os depósitos. A grande quantidade produzida faz com que o armazenamento ocupe áreas bastante extensas, desencadeando sérios impactos ambientais na região na qual são implantados. Além disso, a segurança das estruturas de contenção destes depósitos deve ser garantida, uma vez que, eventuais rupturas podem acometer muitos quilômetros, comprometendo o meio ambiente e trazendo riscos de perdas humanas.
Neste contexto, em 2010, o Ministério do Meio Ambiente brasileiro criou a lei número 12.305/10, que institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos, prevendo a destinação ambientalmente adequada de rejeitos. Desta forma, conforme recomendado pelo relatório do
__________________________________________________________________________________________ IPEA (2012), o sistema de disposição destes elementos deve ser regido por soluções adequadas de engenharia. Tais soluções devem garantir a estabilidade das estruturas de contenção, através de controle das condições piezométricas e de resistência dos materiais envolvidos e, por conseguinte, reduzir os impactos ambientais.
A ruptura da barragem de Fundão, em novembro de 2015, no estado de Minas Gerais, alertou ainda mais para a necessidade de investigação e estudo de engenharia nestes materiais. De acordo com a Agência Brasil (2015), o rompimento desta barragem provocou o lançamento de 34 milhões de metros cúbicos de lama, provenientes da produção do minério de ferro, no meio ambiente. Além disso, deixou famílias desabrigadas e mortos, sendo considerado, até então, um dos maiores desastres ambientais que já ocorreram no país.
Morgenstern et al (2016) apresentou um relatório detalhado para a avaliação das possíveis causas do rompimento desta barragem, salientando como a provável ocorrência de ruptura, o fluxo por liquefação. O fenômeno de liquefação ocorre quando um aumento repentino de poropressões é capaz de anular as tensões efetivas do material, fazendo-o perder totalmente a sua estrutura (LAMBE e WHITMAN, 1969). Este aumento de poropressões pode ser provocado por agentes sísmicos ou gatilhos pontuais estáticos (taludes instáveis, mudança do nível do lençol freático, construção incremental de aterros, deformação de camadas adjacentes de solos de baixa resistência, entre outros), desencadeando uma instabilidade local que pode se estender por extensas áreas, sendo então chamada de fluxo por liquefação (SMITH, 2002). As características de alta saturação, baixa plasticidade e alta compressibilidade dos rejeitos no interior dos reservatórios, aumentam a probabilidade de ocorrência de rupturas desencadeadas por este fenômeno.
O estado de tensão que conduz a uma condição estática de liquefação pode ser determinado através de ensaios triaxiais consolidados não drenados, nos quais as amostras são cisalhadas numa condição de completa saturação. Entretanto, em função da dificuldade existente em se coletar amostras indeformadas nestes depósitos e se reproduzir adequadamente a estrutura natural dos rejeitos em laboratório, rotineiramente ensaios de campo vem sendo utilizados para complementar a caracterização e avaliação de comportamento destes materiais.
Douglas e Olsen (1981), Robertson, et al (1986), Olson e Farr (1986) e Robertson (1990) propuseram metodologias que permitem a avaliação quanto ao comportamento dos solos com
base em resultados de ensaios de cone. Embora o desenvolvimento destas metodologias tenha se baseado num vasto banco de dados, os rejeitos de mineração nem sempre tem seu comportamento completamente compreendido, uma vez que, constituem materiais gerados através de um processo industrial. Também se baseando em resultados de ensaios de cone, Robertson (2010), propôs uma metodologia de avaliação do potencial de ocorrência de liquefação estática em areias, adotando o parâmetro de estado ( ) como delimitador entre materiais com comportamento contrátil e dilatante, ou seja, com suscetibilidade ou não ao fenômeno de fluxo por liquefação.
Reconhece-se que o cenário atual da Engenharia Geotécnica apresenta um vasto conhecimento do comportamento de materiais naturais, entretanto, ainda existem várias dúvidas relacionadas ao entendimento das propriedades dos rejeitos de mineração. A correta compreensão do comportamento destes materiais no interior dos reservatórios e as implicações sobre os projetos de estruturas de contenção são fundamentais para a boa prática de engenharia neste ramo. Nesta perspectiva, esta pesquisa volta-se à análise de resultados de ensaios de campo e laboratório com o intuito de compreender e caracterizar o comportamento de rejeitos de mineração.
A partir da análise de comportamento feita por meio de ensaios de laboratório e combinação de parâmetros independentes, como rigidez e resistência, pretende-se avaliar uma alternativa de classificação de solos e avaliação de suscetibilidade ao fluxo por liquefação, cuja aplicação também seja destinada à rejeitos de mineração. De acordo com Schnaid et al (2004) e Schnaid (2005) a combinação entre rigidez e resistência pode ser obtida por meio de ensaios de cone sísmico (SCPTu), constituindo-se numa boa alternativa para avaliação de características do solo. Sendo assim, pretende-se unir um vasto banco de dados de ensaios SCPTu com o intuito de aplicar a relação entre rigidez e resistência (G0/qt), tanto para classificação de solos, como
para avaliação da suscetibilidade ao fluxo por liquefação por meio do parâmetro de estado ( ). De acordo Schnaid e Yu (2007) o valor de em areias, pode ser obtido a partir de um equacionamento teórico dependente da relação G0/qt. Pretende-se investigar a aplicabilidade
__________________________________________________________________________________________
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem por objetivo caracterizar e avaliar o comportamento geomecânico de rejeitos de mineração, com a utilização de resultados de ensaios de campo e laboratório.
1.2.2 Objetivos específicos
De acordo com o objetivo geral deste trabalho, têm-se os seguintes objetivos específicos:
- Verificar através de ensaios triaxiais, consolidados não drenados, a influência da variação do índice de vazios inicial no comportamento dos rejeitos;
- Investigar a influência da reconstituição de amostras de rejeitos de mineração por meio de ensaios triaxiais, oedométricos e medidas de velocidade de onda cisalhante;
- Reunir dados de ensaios de campo e laboratório, publicados na literatura, em rejeitos de mineração, que contenham medidas de resistência e rigidez;
- Avaliar a sensibilidade da combinação entre resistência e rigidez, obtida a partir de ensaios de laboratório, em propriedades de cimentação, densidade, teor de finos, drenagem, etc. e tipo de material;
- Desenvolver uma metodologia para classificação de solos, baseada em resultados de ensaios SCPTu e apoiada em conceitos teóricos, que permita a identificação do comportamento de rejeitos de mineração;
- Apresentar uma metodologia para identificação da suscetibilidade ao fluxo por liquefação em areias e siltes não-plásticos, baseada em valores de , obtidos a partir de resultados de ensaios SCPTu;
- Validar as metodologias desenvolvidas por meio de resultados de ensaios de campo e laboratório.
1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho compõe-se por seis capítulos, buscando apresentar de uma forma organizada a sequência da pesquisa. Este capítulo inicial contempla a introdução ao tema, justificando-se a importância do estudo e expondo-se os objetivos que se pretende atingir.
No segundo capítulo apresenta-se a revisão bibliográfica que dá suporte ao entendimento da pesquisa. São abordados conceitos relacionados aos rejeitos de mineração, caracterização do fenômeno de liquefação e definição do conceito de fluxo por liquefação, além de uma discussão relacionada às abordagens trazidas pela literatura quanto à interpretação de resultados de ensaios de campo e laboratório, com vistas à compreensão do comportamento dos solos.
O terceiro capítulo engloba a metodologia de pesquisa, apresentando, inicialmente, os depósitos de rejeito, que forneceram material para os ensaios de laboratório ou nos quais foram executados os ensaios de campo. Na sequência são apresentados e descritos os ensaios de laboratório e, por fim, os ensaios de campo, realizados nos depósitos de rejeito avaliados.
O quarto capítulo contempla as análises realizadas com base em resultados de ensaios de laboratório. São discutidos assuntos relacionados à caracterização básica de rejeitos, influência do estado inicial em ensaios triaxiais e efeitos da reconstituição de amostras. Neste capítulo também são apresentados estudos realizados para investigação da sensibilidade de propriedades de rigidez e resistência, obtidas em laboratório, a diferentes parâmetros de comportamento de solos.
No capítulo cinco são apresentadas as análises realizadas com base em resultados de ensaios de campo, mais especificamente, no ensaio SCPTu. Este capítulo apresenta as metodologias desenvolvidas para classificação de solos e avaliação de suscetibilidade ao fluxo por liquefação em areias e siltes não-plásticos, bem como, a validação das mesmas.
Para finalizar, o Capítulo seis apresenta as principais conclusões obtidas ao final desta pesquisa, além de sugestões para futuros trabalhos a serem desenvolvidos nesta área.
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2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo serão discutidos conceitos fundamentais para o entendimento da presente pesquisa. Primeiramente serão apresentados aspectos relacionados aos rejeitos de mineração e métodos de disposição. Em seguida, serão abordados conceitos relacionados ao fenômeno de liquefação, estado crítico e avaliação de comportamento de solos através da correta interpretação de ensaios de campo e laboratório.
2.1 REJEITOS DE MINERAÇÃO
O processo de extração mineral produz grande quantidade de materiais que não apresentam valor econômico e que necessitam de uma destinação adequada. Estes materiais são produzidos de forma industrial e, portanto, tendem a apresentar características de comportamento distintas dos materiais naturais. Nos itens a seguir são apresentadas as definições dos resíduos sólidos produzidos na lavra de minérios, as metodologias de disposição e principais características geotécnicas destes materiais.
2.1.1 Definições
Todo o processo produtivo tem como característica inerente a geração de resíduos. Na atividade mineradora os resíduos produzidos diferenciam-se um pouco daqueles produzidos em outros setores. Isto se deve ao fato de existir uma parcela composta por resíduos sólidos provenientes da extração (estéril) e o material resultante do processo de beneficiamento (rejeito).
De acordo com Lei 12305/2010 (Política Nacional de Resíduos Sólidos PNRS), os resíduos sólidos constituem um elemento resultante das atividades humanas em sociedade, cujas propriedades não permitem que sejam lançados em rede pública de esgoto ou em corpos de água. Para estes resíduos esta mesma lei prevê que a destinação adequada dos mesmos inclua a reutilização, compostagem, reciclagem, recuperação e aproveitamento energético ou outro tipo de destinação permitida pelos órgãos competentes.
Já para definição de rejeitos, a Lei PNRS 12305/2010 apresenta-os como resíduos sólidos cujas as possibilidades de tratamento e recuperação através de meios tecnológicos e economicamente viáveis esgotaram-se. Desta forma, a lei cita que os rejeitos se constituem em elementos cuja destinação final seja unicamente a disposição ambientalmente adequada, não existindo possibilidades de reciclagem ou reutilização.
De um modo geral, na indústria mineradora é necessário que uma grande quantidade de rochas seja minerada, triturada, pulverizada e processada até a obtenção do produto final, com valor comercial. Deste processo resultam resíduos sólidos que podem ser pilhas de minérios pobres, rochas, sedimentos, solos, etc., que constituem o material denominado de estéril. Além disso, uma grande quantidade de finas partículas de rocha, cuja granulometria varia entre areia fina e argila, é produzida durante o processo de beneficiamento. Estas partículas finas e ultrafinas, sem valor comercial, são denominadas de rejeitos de mineração (EPA, 1994; IBRAM, 2016).
De acordo com IBRAM (2016) a geração de estéreis e rejeitos de mineração não é equivalente e depende da tipologia dos minérios extraídos. A extração de minérios não metálicos é uma grande geradora de estéreis, já para extração de minérios metálicos é necessária uma transformação mineral, ou seja, um processo de beneficiamento, o qual torna-se um potencial produtor de rejeitos de mineração.
2.1.2 Métodos de disposição
A metodologia adotada para a disposição dos resíduos gerados pela atividade mineradora dependerá do tipo de resíduo em questão. Os estéreis costumam apresentar-se em estado sólido ou semissólido e, geralmente, são dispostos em pilhas. A partir das novas normas ambientais, implantadas em 2010, estas operações vêm incorporando critérios geotécnicos para garantia da segurança destes depósitos. De acordo com o IBRAM (2016) uma prática comum para redução dos estéreis é a sua utilização na recuperação de áreas atingidas por voçorocas e preenchimento de cavas de minas desativadas.
A maior preocupação no processo de disposição, no entanto, volta-se à destinação dos materiais provenientes do processo de beneficiamento (rejeitos), que não podem mais ser reaproveitados. Segundo Vick (1983) estes rejeitos são descartados, na maioria das vezes, na forma de polpa
__________________________________________________________________________________________ (mistura de água e sólidos), a qual favorece o transporte através de fluxo gravitacional por meio de dutos até o local da disposição final.
Como alternativas à disposição dos rejeitos, IBRAM (2016) cita a utilização de minas subterrâneas, cavas desativadas de minas, pilhas, empilhamento a seco, disposição em pasta ou construção de barragens de contenção de rejeitos. De acordo com Duarte (2008) a escolha de um ou outro tipo de disposição dependerá de fatores como a natureza do processo de mineração, condições geológicas e topográficas da região, propriedades mecânicas dos materiais e do poder do impacto ambiental dos contaminantes dos rejeitos.
A maneira mais comum de disposição de rejeitos adotada atualmente é através de barragens de contenção. Estas barragens podem ser construídas com a utilização de solos, estéreis e até mesmo com o próprio rejeito, sendo que a disseminação do método se deve ao fato da facilidade e economia na execução. Vick (1983) destaca que o método de alteamento de barragens se torna atrativo, uma vez que, os custos de construção das barragens são diluídos ao longo da vida útil do depósito e, assim, os alteamentos podem ser executados de acordo com a demanda de armazenamento.
Embora a disposição de rejeitos através de barragens de contenção seja uma alternativa economicamente atrativa, a metodologia construtiva e as características dos rejeitos tornam estes reservatórios passíveis de riscos ambientais. Uma correta investigação das características do rejeito e o alto controle geotécnico durante as etapas executivas são de fundamental importância para garantia da estabilidade destas estruturas. Davies e Martin (2000) evidenciam que o alteamento das barragens pode ser feito com a utilização dos próprios rejeitos, desde que algumas premissas sejam respeitadas, destacando-se a separação granulométrica entre as parcelas mais finas e grosseiras dos rejeitos, utilização de sistemas eficientes de drenagem, controle na compactação e proteção superficial da barragem.
As barragens de contenção podem ser alteadas de três formas distintas: à montante, à jusante ou pela linha de centro. Dependendo da metodologia adotada podem-se ter vantagens e desvantagens, além de características que podem influenciar na estabilidade da mesma, conforme apresentado nos itens a seguir.
2.1.2.1 Método de alteamento à montante
O método de alteamento denominado à montante é executado a partir de um dique inicial, normalmente constituído por camadas compactadas de argila ou enrocamento. A partir da crista deste dique é realizado o lançamento dos rejeitos em direção à montante da linha de eixo do dique de partida. De acordo com Martin e McRoberts (2002) na maioria dos casos, a fração grosseira, separada hidraulicamente, é usada para construir as chamadas praias de rejeito (próximas à barragem) e a fração mais fina compõe as lagoas de rejeitos, conforme esquema indicado na Figura 2.1.
Após atingida a cota da crista do dique de partida, inicia-se o processo de alteamento. Um novo dique, geralmente realizado com os próprios rejeitos, é construído sobre a praia da etapa anterior. Este processo repete-se até se atingir a cota final de projeto. Vick (1983) salienta que um dos requisitos para implantação deste modelo de barragem é que a praia de rejeitos deve fornecer uma fundação competente para o próximo dique, sendo que os materiais depositados nesta área não devem conter menos de 40 a 60% de partículas do tamanho de areias.
Figura 2.1 - Método de disposição à montante (adaptado de Vick, 1983)
Este método de disposição é o mais antigo e tem seu uso amplamente difundido em função de sua simples execução e economia. Entretanto, também é o método construtivo associado ao maior número de rupturas em barragens de rejeito em todo o mundo (DAVIES e MARTIN, 2000; MARTIN e MCROBERTS, 2002). Dentre as principais causas de rupturas pode-se citar (LOTTERMOSER, 2010):
- Liquefação: as barragens alteadas a montante são particularmente suscetíveis à liquefação, uma vez que, os rejeitos depositados neste sistema, geralmente, apresentam baixa densidade e
__________________________________________________________________________________________ altos níveis de saturação. Esta combinação pode resultar em liquefação desencadeada tanto por terremotos, como detonações em minas próximas ou até movimentação de equipamentos pesados nas proximidades. A ruptura por liquefação pode ocorrer em barragens de pouca altura e com diques pouco inclinados, portanto, não se aconselha o uso de barragens alteadas à montante em regiões de alta sismicidade;
- Altas taxas de alteamento: caso uma barragem à montante seja alteada de forma muito rápida, poropressões muito altas podem ser produzidas no interior dos rejeitos. Estas altas poropressões reduzem a estabilidade da barragem e podem causar rupturas. Vick (1983) recomenda uma taxa segura de alteamento entre 4,5 a 9 metros por ano, alertando para o fato de que taxas de alteamento de 15 metros por ano podem ser muito perigosas;
- Ruptura da fundação: caso a base da barragem não apresente capacidade de suporte adequada para a mesma, movimentos ao longo de planos de ruptura ocorrerão. No caso de barragens alteadas a montante, os alteamentos são realizados sobre materiais previamente depositados e não consolidados, que nem sempre fornecem uma boa capacidade de suporte;
- Níveis de água excessivos: a ruptura de uma barragem pode ocorrer se a superfície freática atingir níveis críticos, ou seja, quando a largura da praia de rejeitos, entre a lagoa e a crista da barragem, se tornar muito pequena. Nas barragens alteadas a montante existe dificuldade na implantação de um eficiente sistema interno de drenagem que permita o controle da superfície freática, sendo que, inundações, alta pluviosidade, rápido derretimento de neve e gestão inadequada por parte do operador podem causar níveis excessivos de água no interior da barragem, levando-a ao colapso. Caso a água escoe sobre a crista da barragem podem ocorrer fissuras, erosão e até o completo colapso da estrutura;
- Altas taxas de infiltração: infiltração no interior ou abaixo da barragem provoca erosão ao longo dos canais de fluxo. Quando em excesso podem provocar a ruptura da barragem.
Como alternativas à redução de riscos de rupturas em barragens alteadas a montante pode-se citar a instalação de zonas de drenagem horizontal durante a construção do dique de partida. Tal procedimento auxiliará na manutenção de baixos níveis de poropressões no interior do reservatório. Entretanto, deve-se garantir que não ocorra a obstrução dos drenos durante as etapas de alteamento (VICK, 1983; EPA, 1994).
Lottermoser (2010) salienta que a prevenção de rupturas em barragens de rejeito exige uma caracterização geotécnica eficaz dos rejeitos e uma compreensão detalhada dos riscos naturais do local (terremotos, deslizamentos de terra, eventos meteorológicos). O projeto de uma barragem de rejeitos deve seguir um padrão capaz de lidar com condições geológicas e climáticas extremas.
2.1.2.2 Método de alteamento à jusante
O método de alteamento denominado à jusante foi desenvolvido para suprir os riscos associados ao método de alteamento à montante. Os requisitos de projeto são similares aqueles necessários para execução de uma barragem convencional de armazenamento de água.
A metodologia executiva também se inicia a partir de um dique de partida constituído por material de empréstimo compactado. EPA (1994) destaca que este dique de partida pode ser composto por areias e pedregulhos permeáveis ou pode ser realizado um núcleo composto predominantemente por siltes e argilas, para minimizar a infiltração através da barragem. Caso materiais de baixa permeabilidade sejam utilizados, um sistema de drenagem interna deve ser incorporado ao projeto. Engels (2004) destaca que o emprego de um núcleo impermeável associado a um eficiente sistema de drenagem permite que seja possível o barramento de grandes quantidades de água em contato com o talude de montante, sem comprometer a estabilidade da estrutura.
Após a construção do dique inicial os rejeitos são lançados à montante do dique até que a borda livre seja atingida. O processo de alteamento se dá pela construção de um novo dique sobre a face inclinada, à jusante do dique de partida. Os estágios de alteamento deslocam a linha central do topo da barragem à jusante, conforme demonstrado pela Figura 2.2 (VICK, 1983).
Os diques de alteamento podem ser constituídos tanto por material de empréstimo como pelo próprio rejeito, caso se tenha quantidade suficiente e se faça a correta separação granulométrica. Vick (1983) e Klohn (1981) destacam que uma das grandes vantagens deste método é a possibilidade de total controle do lançamento e compactação do material dos diques de alteamento, sendo que, em nenhuma etapa o alteamento apoia-se sobre rejeitos soltos, como no caso do método de alteamento à montante. Além disso, durante toda etapa construtiva é possível a instalação do sistema de drenagem para controle das superfícies freáticas, prolongando-o conforme a barragem ganha altitude.
__________________________________________________________________________________________ Figura 2.2 - Método de alteamento à jusante (adaptado de Vick, 1983)
As barragens alteadas à jusante podem ser projetadas de forma a resistir qualquer força sísmica, entretanto, Brawner e Campbell (1973) orientam para que a máxima altura de barragens à jusante em áreas sísmicas seja de 15 metros e que os materiais sejam compactados de forma a atingir altas densidades e minimizar a possibilidade de ocorrência de liquefação.
Embora o método de alteamento à jusante tenha grandes vantagens relacionadas à sua estabilidade, apresenta desvantagens como grandes quantidades de material necessárias para construção dos diques de alteamento e grandes áreas para base dos mesmos.
2.1.2.3 Método de alteamento pela linha de centro
Conforme apresentado por Vick (1973), o método de alteamento pela linha de centro constitui-se numa alternativa intermediária entre o método de alteamento à montante e o método de alteamento à jusante, visando reduzir as desvantagens apresentadas por eles.
A metodologia executiva consiste na construção de um dique de partida, onde o rejeito é disposto à montante a partir da crista do dique, similar ao que acontece no método de montante. Já o alteamento é realizado com a construção de um dique acima do dique inicial, mantendo-se a mesma linha de centro. O dique de alteamento apoia-se à montante sobre a praia de rejeitos e à jusante sobre o dique da etapa anterior, conforme apresentado pela Figura 2.3. Neste sistema zonas de drenagem podem ser incorporadas durantes as etapas construtivas, permitindo o controle da superfície freática e dissipação das poropressões (VICK, 1983; EPA, 1994).
Figura 2.3 - Método de alteamento pela linha de centro (adaptado de Vick, 1983)
Este método de alteamento não exige uma praia de rejeitos extensa e permite o uso de rejeitos que contenham quantidades relativamente baixas de partículas do tamanho de areias. Desta forma, os alteamentos podem ser realizados de forma mais rápida do que nos métodos à montante e à jusante. O uso de materiais granulares é necessário quando se deseja uma drenagem rápida para fornecer suporte para construção de equipamentos (EPA, 1994).
Engels (2004) destaca que as barragens alteadas pela linha de centro não podem ser utilizadas como uma grande estrutura de armazenamento de água, uma vez que, os diques de alteamento são parcialmente construídos sobre rejeitos depositados, não-consolidados. Entretanto, de acordo com EPA (1994), o armazenamento de águas provenientes de fortes chuvas ou problemas de operação, num curto período de tempo, não afetam a estabilidade da estrutura.
As barragens alteadas pela linha de centro apresentam boa resistência à sismicidade, desde que os diques sejam devidamente compactados e o sistema de drenagem seja corretamente instalado. Respeitadas estas condições, mesmo que os rejeitos à montante da barragem liquefazerem, os diques permanecerão estáveis em função de sua boa compactação e características de drenagem.
Como desvantagens deste método, Troncoso (1997) cita a possibilidade de perda de confinamento na parte superior do talude quando as inclinações à montante forem muito altas. Este fato pode levar ao aparecimento de fissuras, causando erosão e o aumento de poropressões. Além disso, dificuldades executivas e a quantidade de material necessária para os alteamentos podem aumentar os custos de execução desta alternativa.
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2.1.3 Caracterização geotécnica
Variáveis como o tipo de minério extraído, método de beneficiamento adotado na planta de mineração e o tratamento químico adotado para extração do produto que se deseja, alteram as características geotécnicas, físico-químicas e mineralógicas do rejeito de mineração. Esta situação torna o rejeito de mineração um material geotécnico distinto, com propriedades e comportamento que podem ser diferentes daqueles apresentados por solos naturais e diferir entre o rejeito produzido numa planta e outra.
As principais características geotécnicas de um material podem ser obtidas tanto através de ensaios de laboratório como através de ensaios de campo. Características básicas como granulometria, umidade, massa específica e limites de Atterberg são facilmente obtidas através da coleta de amostras deformadas de rejeitos. Já ensaios que visam a obtenção de parâmetros nas condições reais dos reservatórios, como condutividade hidráulica, compressibilidade e resistência, nem sempre conseguem reproduzir em laboratório este complexo ambiente. Neste contexto, confrontar a correta interpretação de resultados de ensaios de campo com resultados de ensaios de laboratório auxilia na definição de parâmetros adequados de projeto.
A seguir são discutidos resultados típicos, fornecidos pela literatura, de ensaios de campo e laboratório realizados em rejeitos de mineração.
2.1.3.1 Caracterização básica de laboratório
Uma propriedade geotécnica fundamental é a definição da curva granulométrica do material em estudo. De acordo com Vick (1983) a curva granulométrica dos rejeitos de mineração é revestida de incertezas, uma vez que, varia de acordo com a rocha de origem e metodologias de extração e beneficiamento. De um modo geral, é possível determinar uma faixa de variação, que conforme esse autor, caracteriza-se predominantemente por partículas do tamanho de siltes, podendo ocorrer parcelas de areias e partículas mais finas.
Esta variabilidade pode ser observada em resultados de ensaios de granulometria apresentados por Vick (1983) para rejeitos de mineração de ouro (Figura 2.4), bauxita (Figura 2.5) e zinco (Figura 2.6) provenientes de locais distintos. De um modo geral, pode-se verificar que o rejeito de mineração de ouro tem característica mais arenosa, apresentando pequenas quantidades de
argila. Já os rejeitos de mineração de bauxita e zinco tendem à maior predominância de partículas do diâmetro de siltes, mas apresentando, também, pequenas quantidades de partículas do tamanho de argilas e areias finas. Outra característica importante é que os rejeitos de mineração de ouro costumam apresentar baixa ou nula plasticidade, os rejeitos de zinco uma plasticidade baixa e os rejeitos de bauxita tendem a apresentar plasticidade mediana a alta.
Figura 2.4 - Curvas granulométricas características de rejeitos de mineração de ouro (adaptado de Vick, 1983)
__________________________________________________________________________________________ Figura 2.5 - Curvas granulométricas características de rejeitos de
mineração de bauxita (Vick, 1983)
Figura 2.6 - Curvas granulométricas características do rejeito de mineração de zinco (adaptado de Vick, 1983)
Em análise às curvas granulométricas apresentadas, os rejeitos de mineração compõem-se, predominantemente, por partículas do tamanho de siltes e argilas, cuja avaliação da distribuição do tamanho de grãos, de acordo com normas nacionais e internacionais, deve ser realizada por meio de ensaios de granulometria por sedimentação, com o uso de um agente dispersor. Entretanto, Senft et al (2011) e Jedari et al (2017) destacam a possibilidade de interferência nos resultados do ensaio devido à iteração química entre o agente dispersor e as partículas de rejeito. Ao se comparar resultados de ensaios de granulometria com sedimentação e granulometria a laser, em amostras de rejeitos, os autores verificaram uma diferença na quantificação da porcentagem de partículas mais finas (siltes e argilas). O ensaio de sedimentação subestimou esta parcela, o que para os autores pode ser consequência de uma aglutinação de partículas provocada por iteração química entre o agente dispersor utilizado e elementos químicos presentes nas amostras de rejeito.
Gorakhki (2015), por sua vez, demonstrou que a alta concentração de sais nos rejeitos de mineração, em especial a presença de sódio, provoca um aumento na densidade e viscosidade do fluído, aumentando as taxas de sedimentação. Sendo assim, evidencia-se que metodologias padrão de ensaios em solos podem sofrer influência quando aplicados à rejeitos de mineração, sendo necessária uma avaliação cautelosa destes resultados e composição dos rejeitos.
Além dos aspectos relacionados à granulometria e características de plasticidade dos rejeitos, Vick (1983) destaca, ainda, que na grande maioria dos depósitos, altos índices de vazios e baixas densidades secas ( d) são verificadas na superfície, logo após a deposição, diminuindo o
índice de vazios e aumentando a densidade em maiores profundidades. Os valores de densidade de campo dos rejeitos recebem influência da massa específica real dos grãos, tipo de rejeito (areias ou lamas) e da quantidade de partículas do tamanho de argila. A massa específica real dos grãos geralmente apresenta valores altos em função da presença de elementos metálicos na composição dos rejeitos.
2.1.3.2 Permeabilidade
A permeabilidade de um solo constitui-se numa propriedade muito importante, uma vez que, está relacionada à muitos problemas comuns à prática de engenharia. A passagem de água no interior de um determinado material é expressa através do coeficiente de permeabilidade (k), sendo este uma característica difícil de ser generalizada. Fernandes (2016) afirma que somente para os solos usuais existem cerca de oito a nove grandezas para este parâmetro, sendo que,
__________________________________________________________________________________________ dentre os principais fatores que afetam a permeabilidade de um solo estão sua granulometria, índice de vazios, estrutura, composição mineralógica e grau de saturação. A Tabela 2.1 apresenta os valores típicos dos coeficientes de permeabilidade para os solos sedimentares considerados usuais.
Tabela 2.1 - Valores típicos de coeficiente de permeabilidade para solos sedimentares usuais (Fernandes, 2016)
Tipo de Solo k (m/s) Pedregulhos limpos > 10-2 Areia grossa 10-2a 10-3 Areia média 10-3a 10-4 Areia fina 10-4a 10-5 Areia siltosa 10-5a 10-6 Siltes 10-6a 10-8 Argilas 10-8a 10-10
Terzaghi e Peck (1948) definiram o grau de permeabilidade de acordo com o valor de k, quanto maior o valor de k, maior é o grau de permeabilidade. Como exemplo disso, os pedregulhos e as areias grossas apresentam alto grau de permeabilidade e as argilas são consideradas praticamente impermeáveis.
A determinação do coeficiente de permeabilidade pode ser feita tanto através de ensaios de campo (piezômetros, sondagens, poços, etc.), ensaios de laboratório (carga constante, carga variável, ensaios oedométricos) ou definindo-se uma ordem de grandeza através de algumas expressões de natureza empírica e semiempírica. Fernandes (2016) afirma que os ensaios de campo têm como vantagem a possibilidade de se avaliar um considerável volume do maciço analisado, embora, possam fornecer valores bastante dispersos em virtude da estratificação dos maciços. Os ensaios de laboratório, por sua vez, são considerados melhores na determinação do coeficiente de permeabilidade, no entanto, possuem limitação quanto à representatividade da amostra ensaiada.
Para o caso dos rejeitos de mineração estes constituem um material produzido industrialmente e, segundo Vick (1983), o coeficiente de permeabilidade pode variar de 10-2cm/s para rejeitos
arenosos grosseiros a 10-7 cm/s para lamas bem consolidadas. A permeabilidade dos rejeitos
